Development of acute toxicity tests on Daphnia magna for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and phthalates in soft plastic baits

Abstract

Marine litter is a global problem that has been gaining attention in recent years. It threatens flora and fauna of sensible ecosystems. The major part of this litter is plastic material which is hardly degradable. Generally, the main diffuse input pathways are from landside sources or through rivers. Microplastic particles are found nearly everywhere nowadays, yet in deep sea. The recreational fishing industry plays a part in this issue. Angler often make use of soft plastic lures. It is disputed that they have direct impacts on limnic and marine ecosystems. However, they have indirect impacts, because they include additives like softeners or attractants. These substances and other hazardous compounds might be released during fishing. In this thesis, two compound classes are examined. Polycyclic aromatic hydrocarbons have toxicologic properties as being carcinogenic, mutagenic or teratogenic. Low-molecular phthalates are suspected to be endocrine disruptive. They were chosen as pollutants, because they both tend to be persistent and easily bioaccumulate. Their possible effects on the species Daphnia magna were investigated in this study. Besides, two methods on how to test soft plastic material in acute toxicity tests on Daphnia magna were developed and evaluated with two different soft plastic lures. The developed plastic contact test method uses pestled plastic material debris. Dilution medium is added to it and everything is shaken for up to 24 hours. The fact that the material is not removed during testing leads to a constant release of pollutants. Contrary, leaching test uses 1 cm2 great cubes which are also shaken for one day in dilution medium. However, the material is removed before start and only the leaching water is used in this toxicity test method. EC50 concentrations of 48 hours acute toxicity tests show that plastic lure Tiddler has greater effects on daphnids than Möhrchen. Additionally, gas chromatography analysis of these samples confirms this fact and suggests that hardly soluble phthalates emit easier due to solvents on or in the plastic material. Another aspect is the toxic effect addition of these determined substances. However, PAH values should be treated with caution, because only a few reached the limit of quantitation. Moreover, average standard deviation values depict a greater stability and validity of plastic contact test compared with leaching test method. Considering the applicability with other materials, the plastic contact test is time consuming but more realistic and provides reliable results.

Meeresmüll ist ein globales Problem, dass in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen hat. Es bedroht sowohl Flora als auch Fauna von sensiblen Ökosystemen. Den größten Teil macht der Plastikmüll aus, der kaum abbaubar ist. Die Haupteintragspfade sind aus landbasierten Quellen oder diffus über in Meere mündende Flüsse. Mikroplastik Partikel sind bereits heute in einigen Teilen der Tiefsee zu finden. Einen kleinen, aber nicht unerheblichen Teil trägt der Angelsport zu dem Problem bei. Hobbyangler benutzen nicht selten spezielle Gummifische als Köder. Es wird diskutiert, dass die Plastikfische direkten schädigenden Einfluss auf die limnischen oder marinen Ökosysteme haben. Jedoch ist klar, dass sie indirekten Einfluss haben, da sie einige Zusatzstoffe beinhalten. Zu diesen Stoffen gehören beispielsweise Weichmacher oder Lockstoffe, die während des Fischens an die wässrige Umgebung abgegeben werden. Die vorliegende Arbeit untersucht explizit zwei Schadstoffklassen. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und einige Phthalate wurden als Schadstoffe ausgewählt, da sie persistent und bioakkumulativ sind. Zudem sind einige Verbindungen oder ihre Metabolite krebserregend, erbgutverändernd oder fortpflanzungsgefährdend. Phthalate stehen in der Kritik endokrin wirksam zu sein. Die möglichen toxischen Effekte auf die Spezies Daphnia magna waren Bestandteil der Untersuchungen. Ferner wurden zwei verschiedene Methoden zur Untersuchung von synthetischem Gummi in akuten Toxizitätstests an Daphnia magna anhand von zwei Gummiködertypen entwickelt und evaluiert, um Aussage über ihre Anwendbarkeit zu treffen. Bei der entwickelten Kunststoffkontakt Methode wurde das Material klein gemörsert, Verdünnungsmedium hinzugefügt und verblieb nach einem 24-stündigen Schüttelvorgang im Testgefäß. Dies führt dazu, dass das Material auch während des Tests noch Schadstoffe abgeben kann. Anders war es beim Leaching Test, bei dem das Material in 1 cm2 große Quader geschnitten wurde. Danach wurde es ebenfalls geschüttelt, jedoch wurde das Material vor Testbeginn entfernt und nur das Waschwasser im eigentlichen Toxizitätstest benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die EC50 Werte der Proben nach 48 Stunden Testdauer deutlich geringer für den Gummiköder Tiddler als für Möhrchen sind. Somit hat Tiddler größere toxische Effekte auf die Daphnien. Die anschließenden Messungen mittels Gaschromatographie bestätigen diese Annahme. Außerdem lassen die gemessenen Konzentrationen der Phthalate im wässrigen Medium vermuten, dass Lösungsmittel die Schadstoffabgabe begünstigen. Eine weitere Erkenntnis ist die Addition der toxischen Wirkung dieser Stoffe. Des Weiteren zeigt eine geringere durchschnittliche Standardabweichung, dass die Kunststoffkontakt Testmethode eine bessere Aussagekraft besitzt und weniger fehleranfällig ist als die Leaching Methode. Die Anwendbarkeit der beiden Tests auf andere Stoffe ist demnach beim Kunststoffkontakt Test verlässlicher, da die Ergebnisse eher der Realität entsprechen.